滩涂光伏电站软基原位加固用胶凝材料的固化性能

吴悠 ，樊传刚 ，邓先功 ，裴立宅 ，凌贤长

（1.安徽工业大学 材料科学与工程学院，安徽 马鞍山 243002；2.哈尔滨工业大学 土木工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090）

0 引言

光伏发电作为一种绿色、环保的能源获取手段，近年来在国内外得到了快速的发展。对于我国人口密度大，土地资源相对短缺的东部地区，“渔光互补”作为一种新型土地综合利用的方法，不仅有效地克服了光伏发电区域的限制，解决了土地资源短缺的问题，而且对优化地区能源结构、改善环境，提高鱼塘滩涂地区的产能具有重要意义[1]。但滩涂地区承载力低，风载荷大，根据GB 50009—2012《建筑结构载荷规范》和GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》的规定，传统的光伏支架要置入土下6～8 m才能满足其结构安全，即使采用预应力管桩也需置入土下约4 m[2]。因此，若能将滩涂底层硬土表面的局部（预制管桩下部和端部四周）软土及淤泥拌入胶凝材料后原位硬化（固化），可将预制管桩长度显著缩短，大幅度降低光伏电站的建造成本。研究人员[3－5]以水泥为软土胶凝材料，研究了水泥掺量对固化土性能的影响，结果表明，当水泥含量为8%～15%时，固化土试样28 d抗压强度均在1.5 MPa左右。虽然上述研究都得到了较好的结果，但所用胶凝材料主要为水泥，不仅会增大水体的pH值，影响水体生态环境，而且水泥本身对土壤的固化效率较低，所得固化土的强度不高。因此，急需开发一种绿色新型土壤胶凝材料来解决上述问题。矿渣、钢渣是高炉炼铁产生的工业废弃物，其综合开发利用不仅有利于保护环境，而且更能降低钢铁生产的成本。鉴于此，本文以矿渣、钢渣、脱硫灰和水泥熟料为主要原料制备出了新型软土加固用胶凝材料，研究了该胶凝材料对光伏电站位置的滩涂淤泥质土固化性能的影响。

1 实验

1.1 原料

（1）淤泥质土：取自马鞍山市当涂县某“渔光互补”光伏电站内河塘底表下约2 m，其基本物理性质如表1所示，根据GBJ 145—90《土的分类标准》，该淤泥质土为高液限黏质土。

表1 淤泥质土的基本物理性能指标

（2）新型土壤胶凝材料：以矿渣、钢渣、脱硫灰和水泥熟料为主要原料，按 70∶5∶20∶5 的质量比配制而成。其中，矿渣为马钢嘉华建材有限公司生产的S95级矿渣，碱度为0.914，属于酸性矿渣；质量系数为1.820，具有较高的活性。水泥为马鞍山海螺水泥有限责任公司生产的P·O42.5水泥，基本性能指标见表2。钢渣与脱硫灰均由马鞍山钢铁股份有限公司提供，粉磨后钢渣的比表面积（勃氏法）为495 m2/kg。矿渣、钢渣、脱硫灰及其制备的新型土壤胶凝材料主要化学成分如表3所示。

表2 P·O42.5水泥的基本性能指标

表3 原材料的主要化学成分 %

1.2 实验步骤

首先，将原状淤泥放入设定温度为60℃的电恒温鼓风干燥箱中干燥48 h。再按球料比为1∶2（Φ30 mm陶瓷研磨球），将干燥的淤泥质土放入卧式球磨机中干磨1 h，制得干土，然后控制胶凝材料与干土质量比分别为 1∶1、1∶2、1∶3、1∶4、1∶5 和1∶6，将干土和胶凝材料逐渐加入至含有一定量水的可变速强力搅拌机的搅拌容器中，依次慢搅30 s（150 r/min）和快搅90 s（400 r/min），反复搅拌10 min后制得均匀的固化土泥浆，并将其注入70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的模具中成型，通过振动消除泥浆中的气泡，静养1 d后脱模。脱模后试样置于（20±2）℃的水中养护（模拟原位固化土的养护环境）至规定龄期。

1.3 实验仪器与性能测试方法

采用标准坍落度筒测试固化土泥浆的坍落度；采用水泥胶砂抗折抗压试验机（TYE－300D型，无锡建仪仪器机械有限公司产）分别测试固化土试样3 d、7 d、28 d的抗压强度和软化系数；采用酸度仪（AZ8686型，衡欣科技股份有限公司产）测试固化土试样浸没水中不同时间的pH值；采用土壤液塑限联合测定仪（LP－100D型，上海路达公路仪器设备有限公司产）测量土壤的液塑限；采用X射线荧光光谱分析仪（XRF）分析胶凝材料成分组成；采用扫描电子显微镜（SEM）分析试样的微观形貌。

2 结果与讨论

2.1 水固比对固化土性能的影响

控制胶凝材料与干土质量比为1∶2，改变水固比（水与所有固体材料的质量比）制备固化土试样，并测试其抗压强度、软化系数以及固化土料浆的坍落度，结果如表4所示。

表4 水固比对固化土试样性能的影响

由表4可知，随着水固比的增大，固化土强度逐渐降低。这主要是由于用水量的增加致使固化土试样中孔隙率增多，从而减弱了胶凝材料对土体基团的胶结能力。当水固比为0.40和0.45时，固化土料浆的坍落度均不超过45 mm，不符合GB50666—2011《混凝土结构工程施工规范》的要求。因此，水固比为0.40和0.45时所制备的浆料不能应用于对可泵性有一定要求的施工中。当水固比为0.50～0.60时，固化土料浆的坍落度为171～207 mm，符合GB 50666—2011的要求，可泵性好，且泥浆中的含水率为33.3%～37.5%（水量/固化土泥浆总量），大于淤泥质土的天然含水率，水下作业时易使胶凝材料与土体混合均匀[6－8]，该泥浆所制备固化土试样28 d的抗压强度高达5.0～6.8 MPa。因此，在工程应用中应根据实际强度要求严格控制水固比。

软化系数是评价建筑材料耐水性的重要指标，光伏支架周围的固化土长期置于水环境中。因此，评价固化土的软化系数对其在实际中的应用具有重要意义。由表4可知，随着水固比的增大，试样的软化系数逐渐减小。当水固比为0.50～0.60时，固化土试样的软化系数为0.907～0.921，均满足耐水材料（软化系数＞0.85）的要求。考虑到高的固化土强度和软化系数更有利于光伏支架的稳定，以及旋喷桩施工法对胶凝材料可泵性要求，本研究中水固比选为0.50。

2.2 胶凝材料掺量对固化土强度的影响

水固比为0.5时，胶凝材料与干土质量比对固化土试样3 d、7 d和28 d抗压强度的影响如图1所示，对28 d软化系数的影响如图2所示。

图1 胶凝材料与干土质量比对固化土抗压强度的影响

由图1可见，固化土试样的3 d、7 d和28 d抗压强度均随胶凝材料与干土质量比的减小而降低。其原因可能是固化土的强度主要由胶凝材料水化反应时的产物（如水化硅酸钙、水化铝酸钙、钙矾石、氢氧化钙和水化铁酸钙等）胶结土粒和填充间隙使松散的淤泥固结，胶凝材料的掺量越少，其水化产物也越少，胶结的土粒变少，固化土的强度降低。当胶凝材料与干土质量比≥1∶4时，试样28 d的抗压强度≥3.7 MPa。

图2 胶凝材料与干土质量比对固化土28 d软化系数的影响

由图2可见，随着胶凝材料与干土质量比的降低，固化土试样的软化系数逐渐减小。这主要是由于：（1）干土掺量增大后固化土中土壤基团增多，充分吸水后的土壤基团不具备结构强度；（2）吸水后的固化土颗粒之间存在水膜，减弱了颗粒间的黏结作用；（3）局部土壤基团吸水饱和后，其含水率超过土体液限，形成的液泡增大了孔隙率，从而降低了固化土的强度。当胶凝材料与干土质量比≥1∶4时，所制备固化土试样的软化系数均大于0.85，满足耐水材料的要求，适用于长期处于水中或潮湿的环境中。

2.3 固化土对水体pH值的影响

图3为光伏支架置于水塘中的示意，其中Ⅰ#为传统桩基（需长预制管桩深入硬土层以保证光伏支架的稳定）置入滩涂中的支架示意；Ⅱ#为采用新型胶凝材料和淤泥搅拌后，通过旋喷搅拌桩等工法施工，硬化包裹在软土中的短预制管桩下部和底部四周区域，所形成的预制管桩－固化土复合桩基置于水塘的支架示意。该方法可使光伏支架所需预制管桩的长度大幅度降低（不需要深入到滩涂底部的硬土层中）。

图3 光伏支架置入滩涂中的示意

预制管桩－固化土复合桩基长期置于软土层中，桩基溶出物易对其周围的水质产生影响（尤其是水体的pH值），进而影响生态环境。为此，以水固比为0.5，胶凝材料与干土质量比为1∶2制备固化土试样，将其浸没于蒸馏水中，静置3 d、7 d、28 d后测得水的pH值分别为6.75、6.70、6.80，同质量的原状河塘土浸没于同体积蒸馏水中测得的pH值为6.65，pH值无明显差别，表明固化土对水体无明显影响。

2.4 固化土试样的显微结构

图4为水固比为0.5，胶凝材料与干土质量比为1∶2时，所制备固化土试样养护3 d和28 d的SEM照片。

由图4可知，硬化初期，固化土试样中形成了片状及晶须状物质，且分布均匀[见图4（a）]，其中部分晶须状物质嵌入至颗粒状和片状物质中[见图4（b）]。同时采用EDS对晶须状物质的化学成分进行了表征（见表5），结果表明，晶须状物质中含有 O、Si、Al、S 和 Ca，结合自制胶凝材料的水化反应[9]，推测晶须状物质可能为钙矾石（AFt）。

图4 养护3 d、28 d固化土试样的SEM照片

随着试样养护时间的延长，在硬化后期，固化土试样中大颗粒状和片状物质逐渐增多[见图4（c）]，且形成了三维网状结构的物质[见图4（d）]。结合图1可知，胶凝材料掺量相同时，固化土试样硬化后期的抗压强度明显高于硬化前期的强度。

表5 图4（b）中试样的EDS分析结果

2.5 胶凝材料固化淤泥质土的机理

以矿渣、钢渣、粉煤灰和脱硫灰为主要原料制备的胶凝材料，遇水后可能发生如下反应：（1）生成水化硅酸钙（C-S-H）的反应；（2）生成钙矾石（AFt）的反应：

从上述反应可知，自制胶凝材料体系的水化反应产物主要为C-S-H凝胶和AFt。反应生成的钙矾石多为晶须状和柱状，其通过对裂纹的桥联、钉扎或偏转作用在一定程度上阻止裂纹的扩展，进而提高固化土试样的强度[10]。同时反应生产的AFt也可与大量的C-S-H凝胶等物质相互交织形成网状结构[见图4（d）][9]，包裹土壤基团或形成结构骨架，从而进一步提高固化土的强度，其固化机理与水泥固化土机理相似。

3 结论

（1）水固比为0.5时，固化土试样的无侧限抗压强度和软化系数均随胶凝材料与干土质量比的减小而降低，当胶凝材料与干土质量比≥1∶4时，试样28 d的抗压强度≥3.7 MPa，软化系数均>0.85，是一种性能优异的耐水材料。

（2）所制备的固化土试样在应用过程中对其周围的水体pH值无明显影响。

（3）新型胶凝材料通过其水化产物形成的三维网络结构骨架固化淤泥质土，其固结机理与水泥固化土机理相似。